超聲回彈綜合法檢測(cè)堆石混凝土強(qiáng)度的試驗(yàn)研究

楊 坤，唐曉玲，李友彬，朱伯文

(1.貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550028；2.貴州省水利科學(xué)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550000)

1 概述

堆石混凝土(Rock Filled Concrete，簡(jiǎn)稱(chēng)RFC)是由清華大學(xué)提出的一種新型大體積混凝土施工技術(shù)，該技術(shù)具有施工速度快、高強(qiáng)、耐久、造價(jià)低、水化熱溫升較低，溫控相對(duì)容易等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛應(yīng)用[1- 3]。但由于堆石混凝土粒徑過(guò)大，不同于常規(guī)混凝土，對(duì)其抗壓強(qiáng)度很難用常規(guī)的力學(xué)性能試驗(yàn)檢測(cè)[4]。超聲回彈綜合法是一種無(wú)損檢測(cè)方法[5- 6]，該方法是建立在超聲波傳播速度和回彈值與混凝土抗壓強(qiáng)度之間相關(guān)關(guān)系的基礎(chǔ)上，分別利用回彈儀和超聲波檢測(cè)儀在結(jié)構(gòu)混凝土同一被測(cè)區(qū)分別測(cè)量聲速值及回彈值，利用已建立起來(lái)的強(qiáng)度測(cè)試公式推算混凝土強(qiáng)度的一種方法，該方法具有快捷、方便、精確等優(yōu)點(diǎn)，因此在混凝土的無(wú)損檢測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用[7- 10]。

目前超聲綜合回彈法應(yīng)用于RFC的研究中，李友彬[11]采用超聲回彈綜合法對(duì)某水庫(kù)RFC進(jìn)行檢測(cè)，獲得了RFC的勻質(zhì)性、密實(shí)度等性能規(guī)律。俞長(zhǎng)隆[12]結(jié)合理論基礎(chǔ)與試驗(yàn)應(yīng)用分析了超聲回彈綜合法在RFC強(qiáng)度檢測(cè)方面的回彈試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析其技術(shù)應(yīng)用。以上兩位學(xué)者把超聲回彈綜合法應(yīng)用于RFC的檢測(cè)，并得到了RFC相關(guān)的性能指標(biāo)。但目前對(duì)于超聲綜合回彈法應(yīng)用于RFC強(qiáng)度檢測(cè)的可行性和全國(guó)測(cè)強(qiáng)曲線是否適用于堆石混凝土強(qiáng)度推算的研究甚少。基于此，本文對(duì)某實(shí)際工程試驗(yàn)倉(cāng)切割的RFC試件進(jìn)行了超聲綜合回彈和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)；得出全國(guó)測(cè)強(qiáng)曲線因誤差不滿(mǎn)足要求不適用推定RFC的強(qiáng)度，用Matlap軟件對(duì)RFC的回彈值、聲速值和抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值擬合出了更適用RFC的專(zhuān)用測(cè)強(qiáng)曲線，且其精度遠(yuǎn)高于全國(guó)統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線。

2 試驗(yàn)概況

本次試驗(yàn)試塊來(lái)自于貴州某實(shí)際工程澆筑的RFC試驗(yàn)倉(cāng)，采用與壩體相同的原材料、相同的施工方法、相同的養(yǎng)護(hù)條件進(jìn)行澆筑的RFC試驗(yàn)倉(cāng)，采用繩鋸切割機(jī)對(duì)其進(jìn)行切割，然后加工成邊長(zhǎng)為300mm和450mm的立方塊試件。對(duì)試塊先用超聲波檢測(cè)儀和回彈儀進(jìn)行超聲回彈試驗(yàn)，然后采用的10000kN微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

2.1 試塊原材料

RFC試驗(yàn)倉(cāng)采用C9015W6F50等級(jí)的自密實(shí)混凝土進(jìn)行澆筑，壩體及試驗(yàn)倉(cāng)原材料及C15等級(jí)的自密實(shí)混凝土配合比生產(chǎn)配合比分別見(jiàn)表1—2。

表1 RFC試件原材料

表2 自密實(shí)性能混凝土配合比 單位：kg/m3

2.2 試件的制備

采用繩式切割機(jī)切割試驗(yàn)倉(cāng)，切割邊長(zhǎng)300mm和450mm兩種規(guī)格的立方體試塊各9塊，RFC試驗(yàn)倉(cāng)和切割后的試塊如圖1—2所示。

圖1 RCF試驗(yàn)倉(cāng)

圖2 切割后的RFC試塊

2.3 試驗(yàn)儀器與步驟

超聲回彈試驗(yàn)采用多功能混凝土超聲波檢測(cè)儀和一體式數(shù)顯回彈儀，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)在10000kN微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，試驗(yàn)儀器如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)選擇預(yù)測(cè)面。預(yù)測(cè)面應(yīng)盡可能的避免出現(xiàn)裂紋，裂縫、缺口等問(wèn)題，選擇規(guī)則、平整、清潔的兩個(gè)對(duì)立面作為預(yù)測(cè)面。

(2)劃分測(cè)區(qū)。每塊試塊的2個(gè)對(duì)立的預(yù)測(cè)面為1個(gè)測(cè)區(qū)，在每個(gè)測(cè)區(qū)有16個(gè)回彈測(cè)點(diǎn)，且測(cè)點(diǎn)應(yīng)該分布于20cm×20cm范圍，1個(gè)測(cè)區(qū)2個(gè)對(duì)立面平均分配8個(gè)回彈測(cè)點(diǎn)。每2個(gè)對(duì)立預(yù)測(cè)面上沿對(duì)角線布置3個(gè)超聲測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

(3)超聲回彈檢測(cè)。進(jìn)行檢測(cè)前，對(duì)儀器進(jìn)行檢查與校對(duì)；先進(jìn)行回彈檢測(cè)，采用水平彈擊，并保證回彈儀軸線垂直于試件測(cè)試面，緩慢測(cè)試，回彈測(cè)讀精確度到1；超聲檢測(cè)采用對(duì)測(cè)法，檢測(cè)前先在儀器上設(shè)置好測(cè)距，在換能器上需要涂抹耦合劑，聲時(shí)測(cè)量精確至0.1us，聲速值精確至0.1km/s，測(cè)量誤差保證不超過(guò)±1%。

(4)抗壓強(qiáng)度測(cè)試。超聲回彈試驗(yàn)完成后，依照SL/T 352—2020《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[13]在壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

2.4.1回彈代表值與聲速值

對(duì)于同一測(cè)區(qū)16個(gè)回彈值中，去掉最大和最小的3個(gè)回彈值，取剩余10個(gè)數(shù)據(jù)的平均值作為回彈值最終結(jié)果。計(jì)算公式為：

(1)

超聲波聲速的代表值v計(jì)算公式為：

v=3L/(t1+t2+t3)

(2)

式中，R—測(cè)區(qū)回彈代表值，精確至0.1MPa；Ri—第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的回彈值；L—超聲測(cè)距值，mm；v—測(cè)區(qū)聲速值，km/s；t1、t2、t3—3個(gè)測(cè)試點(diǎn)位的聲時(shí)值，μs。

2.4.2抗壓強(qiáng)度值

對(duì)試件的抗壓強(qiáng)度按照公式來(lái)計(jì)算，公式為：

(3)

式中,fcu—試件的抗壓強(qiáng)度，MPa；P—破壞荷載，kN；A—受力面積，mm。

2.4.3強(qiáng)度推定值

算出測(cè)區(qū)回彈代表值R和測(cè)區(qū)聲速值v后，根據(jù)規(guī)范可以算出試件的強(qiáng)度推定值；根據(jù)T/CECS 02—2020《超聲回彈綜合法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》[14](以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)程》)，當(dāng)粗骨料為碎石時(shí)，全國(guó)統(tǒng)一測(cè)區(qū)混凝土抗壓強(qiáng)度換算公式為：

(4)

由公式(4)可計(jì)算出每個(gè)試塊的強(qiáng)度推定値。但根據(jù)全國(guó)統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線換算測(cè)區(qū)混凝土強(qiáng)度時(shí)，其相對(duì)誤差er應(yīng)該滿(mǎn)足er≤15%，若相對(duì)誤差er>15%，則需要另外建立專(zhuān)用或地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線。其相對(duì)誤差er計(jì)算公式為

(5)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與推定強(qiáng)度分析

聲速值、回彈值、抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值和全國(guó)測(cè)強(qiáng)曲線推定強(qiáng)度見(jiàn)表3，RFC試件的實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度與回彈值代表值和聲速代表值的關(guān)系分別如圖5—6所示。由圖5—6可知，300mm RFC和450mm RFC立方體試件的聲速代表值和回彈代表值均與試件的實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，回彈值代表值與試件實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度相關(guān)性更加明顯，回彈代表值相對(duì)于聲速代表值也更集中。由表3可知，2種不同尺寸的試件的強(qiáng)度推定値均與實(shí)測(cè)強(qiáng)度值存在較大誤差，且強(qiáng)度推定値大于實(shí)測(cè)值占全部試件的77.8%。由式(4)可算出300mm和450mmRFC立方體試件強(qiáng)度推定値的相對(duì)誤差分別為28%和24%，均er>15%，不滿(mǎn)足《規(guī)程》中全國(guó)統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線換算測(cè)區(qū)混凝土強(qiáng)度的誤差要求，故需要專(zhuān)用測(cè)強(qiáng)曲線再推算RFC試件強(qiáng)度。

3.2 建立專(zhuān)用測(cè)強(qiáng)曲線

(6)

利用擬合出來(lái)的RFC專(zhuān)用測(cè)強(qiáng)曲進(jìn)行強(qiáng)度推定，推定值與實(shí)測(cè)值對(duì)比及推定値的相對(duì)誤差見(jiàn)表4，表4得出300mm立方體試件強(qiáng)度推定値的相對(duì)誤差為10.1%，450mm立方體試件強(qiáng)度推定値的相對(duì)誤差為5.8%，相對(duì)誤差均er<12%，其精度遠(yuǎn)高于全國(guó)統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線且滿(mǎn)足《規(guī)程》要求，因此建立RFC專(zhuān)用測(cè)強(qiáng)曲線推算試件的強(qiáng)度值是可行的。

表3 聲速代表值、回彈值、強(qiáng)度實(shí)測(cè)值、全國(guó)測(cè)強(qiáng)曲線推定値數(shù)據(jù)

圖5 回彈代表值與實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖6 聲速代表值與實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

表4 強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與專(zhuān)用測(cè)強(qiáng)曲線推定値

3.3 全國(guó)測(cè)強(qiáng)曲線及RFC專(zhuān)用測(cè)強(qiáng)曲線與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析

300mm和450mmRFC試件的全國(guó)測(cè)強(qiáng)曲線、RFC專(zhuān)用測(cè)強(qiáng)曲線和實(shí)測(cè)強(qiáng)度對(duì)比如圖7所示。由圖7可知，2種不同尺寸RFC試件的全國(guó)測(cè)強(qiáng)曲線與試件強(qiáng)度實(shí)測(cè)值相比均存在較大誤差，而建立的RFC專(zhuān)用測(cè)強(qiáng)曲線顯然與實(shí)測(cè)值更接近，且RFC的專(zhuān)用測(cè)強(qiáng)曲線精度遠(yuǎn)高于全國(guó)測(cè)強(qiáng)曲線，故在用超聲綜合回彈法檢測(cè)RFC強(qiáng)度時(shí)，建立專(zhuān)用測(cè)強(qiáng)曲線進(jìn)行強(qiáng)度推算會(huì)著更好的預(yù)測(cè)。

圖7 實(shí)測(cè)強(qiáng)度、全國(guó)測(cè)強(qiáng)曲線、RFC專(zhuān)用測(cè)強(qiáng)曲線對(duì)比圖

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)本批次RFC試件進(jìn)行超聲回彈檢測(cè)和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析，得出以下結(jié)論：

(1)RFC的聲速代表值和回彈代表值與抗壓強(qiáng)度存在正相關(guān)關(guān)系，相對(duì)于聲速代表值，回彈代表值與抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性更加明顯，且回彈代表值比聲速代表值更集中。

(2)超聲綜合回彈法中利用全國(guó)測(cè)強(qiáng)曲線推定RCF的強(qiáng)度誤差大于15%，不滿(mǎn)足《規(guī)程》要求，故全國(guó)測(cè)強(qiáng)曲線不適用于RFC的強(qiáng)度推算，需建立專(zhuān)用測(cè)強(qiáng)曲線對(duì)RFC進(jìn)行強(qiáng)度推算。

(3)超聲綜合回彈法仍適用于堆石混凝土的強(qiáng)度檢測(cè)，但是在進(jìn)行強(qiáng)度的推定時(shí)，需用RFC的